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研究生: 許志源
SYU, JHIH-YUAN
論文名稱: 在PC/104+與CAN BUS架構下實現以Linux-RTAI為基礎之分散式即時監控系統
Implementation of Linux-RTAI-Based Distributed Real-Time Monitor and Control Systems Using PC/104+ and CAN BUS
指導教授: 何明字
Ho, Ming-Tzu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 147
中文關鍵詞: 控制區域網路分散式
外文關鍵詞: pc/104+, can bus
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  • 現今工業電腦大多應用在嵌入式系統上,主要因為工業電腦本身可以植入作業系統,以管理周邊設備的使用,並且透過排程(Scheduling)可使得工業電腦更有效率的執行多個任務。然而數位訊號處理器雖具有運算速度快的優點,但缺乏作業系統的管理,故無法有效的執行多個任務。
    本論文是以CAN (Controller Area Network)匯流排網路為基礎,建構出分散式即時監控系統,整個系統主要分成主控端、受控端、監視端這三個部份。其中,主控端是由PC/104+、Linux-RTAI作業系統以及PCI轉CAN通訊介面所組成;在本系統中有二個受控端,受控端之控制核心為數位訊號處理器(digital signal processor, DSP),其中一個受控端採用LQR (linear quadratic regulator)平衡控制法控制倒單擺系統,另一個受控端採用PID控制法控制直流馬達;監視端是由監控介面與USB (universal serial bus)轉CAN通訊介面組成。在實作上,主控端會下達控制命令至受控端,受控端會依據命令執行控制任務,並將系統響應結果回傳到監視端,而監視端會將系統響應結果顯示在監控介面上,以方便使用者分析系統響應結果。本論文以實驗驗證此分散式控制系統之性能。

    Most of today's industrial computers are applied to embedded systems because the industrial computers can be implanted with the operating systems to manage the peripheral equipments. The industrial computer can deal with multi-tasking efficiently by process scheduling. The digital signal processor has the advantage of highly computational capability, but it can’t deal with multi-tasking because of the lack of operating systems.
    This thesis is based on controller area network (CAN) bus network to construct a distributed real-time monitoring and control system. This system consists of subsystems of master, slave, and monitor. The master subsystem is constructed by a PC/104+, Linux-RTAI operating system and PCI to CAN communication interface. There are two slaves with the cores of digital signal processors (DSP). One is to control an inverted pendulum using the LQR controller, the other is to control a dc motor using the PID controller. The monitor subsystem consists of a monitoring interface and universal serial bus (USB) to CAN communication interface. In the experiments, the master subsystem sends the control commands to the slaves. The slaves excute the control tasks according to the received commands and return the responses to the monitor. The monitor is able to show the system responses on the screen to facilitate the system analysis. This thesis verifies the performance of the distributed control system through experiments.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖表目錄 VIII 第一章 緒論 1-1 研究背景及動機 1-1 1-2 研究目的 1-2 1-3 研究方法及步驟 1-3 1-4 相關文獻回顧 1-6 1-5 實驗室相關成果回顧 1-7 1-6 本文結構 1-7 第二章 分散式控制與即時多工作業系統介紹 2-1 前言 2-1 2-2 分散式控制系統之簡介 2-1 2-3 即時多工作業系統之介紹 2-3 2-3-1 即時作業系統的軟即時與硬即時介紹 2-4 2-3-2 任務 (Task) 之介紹 2-6 2-3-3 本文切換 (Context Switch) 簡介 2-8 2-3-4 優先權先佔式排程與時間循環排程之介紹 2-9 2-4 RTAI硬即時系統之介紹 2-12 2-4-1 RTAI於核心空間 (Kernel Space) 之模組 2-12 2-4-2 RTAI於使用者空間 (User Space) 之應用 2-14 第三章 各種通訊介面簡介 3-1 前言 3-1 3-2 RS232通訊介面之介紹 3-1 3-3 RS422/485通訊介面之介紹 3-3 3-4 USB通訊介面之介紹 3-6 3-5 乙太網路通訊介面之介紹 3-9 第四章 控制區域網路之介紹 4-1 前言 4-1 4-2 CAN匯流排簡介 4-1 4-3 CAN匯流排網路結構 4-3 4-3-1 CAN驅動器 4-4 4-3-2 CAN網路匯流排最大長度與最大節點計算 4-6 4-3-3 CAN匯流排網路干擾 4-11 4-4 CAN匯流排傳輸格式 4-12 4-4-1 數據框架格式 4-12 4-4-2 遙控框架格式 4-15 4-4-3 錯誤框架格式 4-15 4-4-4 過載框架格式 4-16 4-5 CAN匯流排錯誤檢測 4-16 4-6 CAN位元定時設定 4-18 第五章 PCI轉CAN通訊介面之軟硬體設計與實現 5-1 前言 5-1 5-2 CAN轉PCI通訊介面設計流程 5-2 5-3 CAN控制器之簡介 5-3 5-4 PCI轉CAN通訊介面硬體之設計 5-8 5-5 PCI轉CAN介面驅動軟體之設計 5-10 5-5-1 Linux驅動程式模擬存取時序控制 5-10 5-5-2 PCI轉CAN通訊介面裝置軟體設計架構 5-13 5-5-3 PCI轉CAN通訊介面驅動軟體與硬體之測試 5-14 5-5-4 初始化SJA1000晶片之設定 5-16 5-6 CAN傳送流程與接收流程之通訊測試 5-18 5-6-1 傳送流程測試 5-18 5-6-2 接收流程測試 5-23 第六章 實驗結果與探討 6-1 前言 6-1 6-2 實驗系統平台之簡介 6-1 6-2-1 PC/104+嵌入式平台之簡介 6-2 6-2-2 USB轉CAN通訊介面簡介 6-6 6-2-3 DSP之增強型CAN通訊介面與QEP模組簡介 6-8 6-2-4 周邊設備之簡介 6-11 6-3 CAN匯流排網路之單控制節點實驗 6-12 6-3-1 分散式控制系統架構 6-13 6-3-2 集中式控制系統架構 6-20 6-3-3 分散式與集中式系統架構性能探討 6-29 6-4 以CAN匯流排網路實現分散式監控系統 6-33 第七章 結論與未來展望 7-1 結論 7-1 7-2 未來展望 7-1 參考文獻 Ref-1

    [1] PC/104 Embedded Consortium, http://www.pc104.org/
    [2] PCM-3380 User Manual 2nd ed., Advantech, 2006.
    [3] TMS320F281X Digital Signal Processors Data Manual, Texas Instruments Inc., 2001.
    [4] AT8xC51SND1C Mature. Datasheet, Atmel Inc., 2008.
    [5] SJA1000 Stand-Alone CAN Controller Datasheet, Philips Inc., 2000.
    [6] 陳震豪,「利用PC/104+與Linux-RTAI之即時多工控制系統的實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十八年。
    [7] F. Caccavale, V. Lippiello, B. Siciliano, and L. Villani, “RePLiCS : An Environment for Open Real-Time Control of a Dual-Arm Industrial Robotic Cell Based on RTAI-Linux,” Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2493-2498, 2005.
    [8] M. Chiandone, S. Cleva, R. Menis, and G. Sulligoi, “Industrial Motion Control Applications Using Linux RTAI,” IEEE SPEEDAM 2008, The International Symposium on Power Electronics, Electrical Drivers, Automation and Motion, Taormina (Italy), pp. 528-533, 2008.
    [9] D. G. Li, J. Chen, and Z. H. Wu, “Research and Development of In-Vehicle Information Platform Based on ARM-Linux,” Journal of Zhejiang University (Engineering Science), Vol. 40, No. 9, pp. 1531-1535, 2006.
    [10] K. U. Scholl, V. Kepplin, K. Berns,and R. Dillmann, “An Articulated Service Robot for Autonomous Sewer Inspection Tasks,” Proceedings of IEEE Intelligent Conference on Robots and Systems, Vol. 2, pp. 1075-1080, 1999.
    [11] G. Wyeth, D. Kee, M. Wagstaff, N. Brewer, J. Stirzaker, T. Cartwright, and B. Bebel, “Design of an Autonomous Humanoid Robot,” Proceedings of Australian Conference on Robotics & Automation, pp. 39-44, 2001.
    [12] L. Jianxin, G. Xuefeng, and T. Ping, “The Analysis and Test of Real-Time Performance for Time-Triggered CAN Bus,” Proceedings of IEEE International Conference on Automation and Logistics, pp. 3005-3009, 2008.
    [13] M. Barranco, J. Proenza, G. Rodriguez-Navas, and L. Almeida, “An Active Star Topology for Improving Fault Confinement in CAN Networks,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 2, No. 2, pp. 78-85, 2006.
    [14] 李佳益,「Linux多執行緒即時控制系統之實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十七年。
    [15] 新眾電腦股份有限公司編譯,「分散式控制系統」,松崗電腦圖書資料有限公司,民國七十六年。
    [16] 胡竹生,尹燕陶,「即時多工核心程式設計」,全華科技股份有限公司,民國八十四年。
    [17] C. B. Giorgio, Hard Real-Time Computing Systems, Springer, 2005.
    [18] P. Raghavan, A. Lad, and S. Neelakandan, Embedded Linux System Design and Development, Auerbach Publications, 2006.
    [19] S. Bennett, Real-Time Computer Control an Introduction, Prentice Hall, 1994.
    [20] A. Silberschatz, P. B. Galvin, and G. Gagne, Operating System Principles 7th ed., John Wiley, 2004.
    [21] 黃悅民、陳敬、侯廷偉、陳中和、黃慶祥、林志敏等編著,「嵌入式系統設計」,滄海書局,民國九十五年。
    [22] RTAI website, https://www.rtai.org/
    [23] RTAI API Documentation, http://dl.gna.org/rtai/documentation/
    [24] 范逸之、陳立元、賴俊朋等編著,「Visual Basic與RS232串列通訊控制」,文魁資訊股份有限公司,民國88年。
    [25] 許永和編著,「介面設計與實習使用Visual Basic」,全華圖書股份有限公司,民國95年。
    [26] 莊靜編著,「USB單晶片程式設計使用8051」,文魁資訊股份有限公司,民國96年。
    [27] 風信子、張民人等編著, 「Switched & Fast 乙太網路」,旗標出版社股份有限公司,民國87年。
    [28] S. Sathaye, K.K. Ramakrishnan, and H. Yang, “FIFO Design for a High-Speed Network Interface,” Proceedings of the 19th Conference on Local Computer Networks, pp. 2-11, 1994.
    [29] Road Vehicles-Controller Area Network (CAN)-Part1: Data Link Layer and Physical Signaling, ISO/CD 11898-1, 1993.
    [30] PCA82C250 CAN Controller Interface Datasheet, Philips Inc., 2000.
    [31] H. Eisele and E. Jöhnk, PCA82C250/251 CAN Transceiver Application Note, Philips Inc, 1996.
    [32] TJA1040 High Speed CAN Transceiver Datasheet, Philips Inc., 2006.
    [33] TJA1050 High Speed CAN Transceiver Datasheet, Philips Inc., 2006.
    [34] L298, Dual Full-Bridge Driver, ST-Microelectronics Inc., 2000.
    [35] 張居強,「以視覺伺服為基礎之舉球控制系統之研製」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十七年。

    下載圖示 校內:2017-07-20公開
    校外:2017-07-20公開
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